Испытания на ползучесть

В большинстве жаропрочные материалы, используемые в технике, являются поликристаллами, и процесс ползучести протекает в основном за счет перемещения дислокаций. Ползучесть, как уже сказано, сопровождается структурными превращениями, связанными с влияниями температуры и напряжения. В этом процессе занимает важное место такой фактор, как время. На кратковременную прочность диффузионные процессы мало влияют, но значительно влияют на ползучесть. Границы зерен способствуют упрочнению при быстром нагружении, а при ползучести являются наиболее слабыми местами структуры, по которым и начинается разрушение. Рассматривая подробнее кривую ползучести (рис. 7.2), отметим, что на участке ab замедляется скорость деформации за счет перераспределения нагрузки между зернами в сторону более равномерной. На этом участке наблюдаются преобладание процесса упрочнения (за счет действия нагрузки), перераспределение дислокаций и образование субструктуры. На участке Ьс с более равномерной скоростью ползучести процессы упрочнения и разупрочнения (за счет действия температуры) значительно сбалансированы, но уже можно заметить появление мельчайших трещин, в основном по границам зерен, где начинаются разрушения. Па участке cd преобладает действие факторов, которые приводят к разупрочнению, ускоренной деформации и полному разрушению материала.

Относительное развитие каждой стадии зависит от температуры и напряжения (рис. 7.3). При одном и том же напряжении по;

Рис. 7.2. Зависимость деформации и скорости ползучести от времени.

Рис. 7.3. Зависимость ползучести от температуры (а) и напряжения (6).

вышение температуры испытания сокращает продолжительность отмеченного на рис. 7.2 участка Ьс. Аналогично влияет повышение напряжения при неизменной температуре испытания. Пределом ползучести называется напряжение, под действием которого материал деформируется на определенную величину за определенное время при заданной температуре.

Например, ai/юоооо ⁼ W0 МПа означает, что под действием напряжения 100 МПа за 100 000 ч при 550 °C в материале появится пластическая деформация 1%.

При ползучести в металле происходят следующие процессы: пластическая деформация (наклей) вызывает упрочнение металла. При высокой температуре, когда подвижность атомов достаточно велика, происходит снятие упрочнения (наклепа), вызванного пластической деформацией, т. е. динамическая рекристаллизация. Таким образом, в процессе ползучести происходят два конкурирующих процесса: упрочнение металла пластической деформацией и снятие упрочнения иод воздействием повышенной температуры.

Ниже температуры, при которой с заметной скоростью протекает процесс разупрочнения (для железа 350°С), явление ползучести практически не наблюдается. Следовательно, температура разупрочнения определяет температурную границу, выше которой металл «ползет».

Слабыми местами считаются границы зерен у сплава, так как именно в этих местах наблюдается скопление огромного количества точечных и линейных дефектов (вакансии, дислокации и т. д.), которые при высоких температурах имеют большую энергию, что облегчает прохождение диффузионных процессов. При небольшом размере зерна у материала при ползучести происходит перемещение одного зерна относительно другого вдоль поверхности их раздела, т. е. наблюдается скольжение, и дислокации могут переползать на новые плоскости, что совсем нежелательно.

Если при данной температуре (выше температуры рекристаллизации) значение напряжения ниже предела упругости металла при данной температуре, то очевидно, что напряжение вызывает только упругие деформации. Если нет пластической деформации, то нет упрочнения, разупрочнения и ползучести.

Следовательно, явление ползучести будет обнаруживаться в следующих случаях:

• 1) при температурах выше температуры рекристаллизации;
• 2) при напряжениях выше предела упругости.

Таким образом, скорость ползучести будет тем больше, чем быстрее разупрочняется металл под действием рекристаллизационных процессов (зависящих от сил межатомных связей) и чем ниже прочность при кратковременных испытаниях.

Устраняется явление ползучести, если температура рабочая ниже температуры рекристаллизации и предел упругости выше рабочего напряжения при данной температуре.

К сожалению, эти условия не всегда можно выполнить, и следовательно, процесс ползучести в конструкциях устранить полностью не представляется возможным, его можно только замедлить Ползучесть металлов вызывает релаксацию напряжений в предварительно нагруженных деталях. При высокотемпературных условиях работы постепенно уменьшаются напряжения в болтах и других крепежных деталях, ослабляются натяги и т. д.